浅谈碎煤加压气化工艺煤气水预分离

浅谈碎煤加压气化工艺煤气水预分离

赵鹏

内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司

内蒙古 赤峰市 025350

摘要：近年来，国家对环境保护越来越重视，特别是煤化工生产过程中的“三废”治理是国家环境保护的一个严格控制环节。碎煤加压气化工艺中煤气化废水(以下简称气水)的处理工艺也是其成熟技术的重要组成部分。预分离是煤气水处理的首要环节，分离效果不仅影响气化过程的正常进行，也影响后续处理环节能否达到国家排放标准的要求。因此，气水预分离对整个碎煤加压气化工艺系统的正常运行至关重要。

关键词：煤气水；煤焦油；闪蒸；沉降分离；

1.1 煤气水主要来源

煤气水主要来自碎煤加压气化及下游单元。碎煤加压气化炉内底部输入的气化剂（蒸汽＋氧气）自下而上与燃料煤在气化炉里逆流接触，在操作压力2.95Mpa～3.05 Mpa下经一系列化学反应生成ＣＨ４、ＣＯ２、Ｈ２、ＣＯ及Ｈ２Ｓ等成分复杂的合成粗煤气，同时将热量传递给逐渐下降的煤层，以500℃～600℃离开气化炉。离开气化炉的粗煤气经洗涤冷却器喷淋冷却，降至204℃左右，再经废热锅炉冷却，气液混合物被冷却至180℃左右，粗煤气经气液分离后，送出气化界区进入到变换冷却装置。粗煤气携带的大部分未分解的有机物被冷凝洗涤下来，洗涤冷凝混合液作为大部分煤气水送往煤气水分离装置。另一部分煤气水来自变换冷却单元粗煤气的冷却和洗涤所产生的冷凝洗涤液。粗煤气经来自煤气水分离装置高压煤气水洗涤，分离出的煤气水与经过冷却装置的粗煤气洗涤降温产生的煤气水混合返回到煤气水分离装置的油分离器。另外，进入低温甲醇洗的粗煤气经冷却及石脑油处理的煤气水也输入到煤气水分离装置。

1.2 煤气水的预分离过程

（1）气-液两相的分离

溶解性气体与煤气水分离是利用减压闪蒸过程来完成的，分离效率由过程中的闪蒸压力和闪蒸温度决定的。对闪蒸压力的分析可知，闪蒸过程是利用降低液体压力使溶解气体析出，实现气液分离。在煤气水闪蒸过程中随着煤气水压力降低，一方面溶解性气体的溶解度降低；另一方面煤气水沸点也降低，随着沸腾进行溶解气从液相中析出。由两相平衡机理可知，影响煤气水中气体连续析出的主要因素是气相压力。持续保持较低气相压力可以使气体析出更彻底，甚至在负压状态下更有利于溶解气体的析出。考虑负压下对设备密封度的影响，均衡负压和微正压的气相析出效率，故选择微正压闪蒸方式。确定了闪蒸压力后来分析闪蒸温度，由亨利定律可知，在气液两相共存状态中，当气相分压相对恒定时不同温度下气相溶质在液相溶剂中溶解度不同。煤气水中的物理性溶解气体其溶解度随着煤气水的温度升高而快速降低。但是实际运行中并非温度越高越好，确定闪蒸温度还应该考虑以下两方面：一方面是闪蒸过程的能量损耗导致煤气水的温度损失，实践运行数据显示，闪蒸过程温度损失在10℃～15℃；另一方面是后工序液-液分离对温度的要求，预分离工艺中气-液分离后是高温煤焦油与煤尘及煤气水的沉降分离，有关文献资料显示，煤焦油在煤气水中沉降分离的最佳温度是65℃～70℃。综合以上因素，将闪蒸温度控制在80℃～85℃之间，即兼顾了后工序的运行，也尽可能地确保较高的分离效率。

（2）高温煤焦油与煤尘及煤气水的沉降分离

在煤气水沉降分离过程中首先进行的是煤尘、高温煤焦油、煤气水的分离，工业化装置将三者分离设计在焦油分离器中进行。国内运行的焦油分离器应用最广泛型号为Φ8000 mm型（见图1），全容积402 m3，Ⅰ区为煤尘和焦油混合物与煤气水分离区，分离空间约258 m3；Ⅱ区为煤尘与焦油分离区，分离空间约144 m3。煤气水由管口1通过中心管进入中部小伞状沉降区(第一沉降区),沿径向扩散至分离器壁的过程中由于空间扩大流速减缓，煤尘和焦油混合物从煤气水中分离出来沿小伞状斜面流入锥部（Ⅱ区）。煤气水沿设备壁环缝进入大伞状沉降区（第二沉降区）进行二次沉降分离，煤尘和焦油混合物沿大伞状斜板通过下降管进入Ⅱ区；煤气水沿径向回流至安装在分离器顶部中心管环形溢流堰内靠重力由管口4流出设备。在Ⅱ区，两台电机驱动的刮泥机在底部连续旋转防止黏稠的混合物沉积在壁上，煤尘从焦油中分离出来并沉入底部管口3排出，焦油从Ⅱ区上部的管口5排出。

1—煤气水入口；2、5—焦油出口；

3—含尘焦油出口；4—煤气水出口

图1Φ8 000 mm型焦油分离分离器简图

工艺运行中，保证煤尘和焦油混合物与煤气水的分离效率是非常重要的，因此将Ⅱ区上部焦油及时排出是保证Ⅰ区沉降空间的最直接手段，充裕的沉降空间就是确保分离效率的关键因素。在实践中，为降低煤焦油中的固态物含量，将煤焦油液面提升至Ⅰ区沉降空间内，沉降空间增大静置时间延长煤尘与煤焦油的分离效率提高。但随之而来是Ⅰ区沉降空间减小分离效率下降，煤气水中焦油含量增加严重影响后系统的运行。目前通用的操作方法是保证Ⅰ区分离效率；Ⅱ区仅作为煤尘和煤焦油混合物的缓冲空间，煤焦油排出Ⅱ区后通过新增两相分离设备来提高其产品质量。

（3）低温煤焦油与煤气水的沉降分离。

相对于高温煤焦油、煤尘、煤气水的分离过程，低温煤焦油在煤气水中以微粒油滴的形式存在，因密度与煤气水非常接近，因此分离过程分两步：第一步微粒油滴的碰撞聚合过程；第二步大颗粒油滴与煤气水的分离过程。

工业化装置中分离设备结构如图2所示：

1、2、3、4—低温焦油收集口；5—煤气水入口；6、7—含尘焦油出口；8—煤气水出口；9—过滤焦炭；10—TPI分离板；11—Ⅱ区焦油收集管；12—Ⅰ区焦油收集管；13—焦炭蒸汽加热管

图2低温焦油最终分离器简图

内部设置2个微粒油滴碰撞聚合器（焦炭过滤器和TPI组件）和3个分离区。煤气水由管口5进入设备内部分离Ⅰ区，微量高温煤焦油或者煤尘下降至底部由排放管口6定期排出；少量大颗粒低温煤焦油从煤气水中分离上升通过收集管12进入顶部液面。煤气水自下而上通过焦炭过滤框9。在焦炭内部狭小通道中微粒油滴相互碰撞聚合形成大颗粒液滴。在分离Ⅲ区大颗粒油滴上升至顶部液面；含有未聚合微粒油滴的煤气水通过TPI板框10，油滴再一次碰撞聚合，TPI板框为45°倾斜角布置安装，有利于离开TPI板的煤气水和大颗粒油液滴形成层流状态，由于黏度差异，低温焦油在内侧上升，被折流板拦获通过收集管11进入顶部液面；外侧上升的煤气水由溢流口18靠重力离开设备。3个分离区汇集至顶部液面的低温煤焦油通过收集口1、2、3、4排至焦油槽。工艺运行中，确保低温煤焦油与煤气水的分离效率应注意以下方面：首先，及时通过管口6排出Ⅰ区底部的煤尘与高温煤焦油，既可以确保Ⅰ区充裕的沉降分离空间；又可以防止高温煤焦油返流堵塞聚合器焦炭框底部影响低温煤焦油的聚合。其次，周期性通过管线13用蒸汽对聚合器底部吹扫防止堵塞影响油微粒聚合。第三，定期对管口8的煤气水进行取样分析检测，当焦油含量明显上升且蒸汽吹扫效果不佳时，将设备从系统中切出，更换焦炭聚合器中的焦炭以及对TPI聚合板通道进行人工清理。

1.3煤气水预分离后提高副产品产量的措施

煤气水分离装置焦油1#"U型连续沉降脱水法”

改造目前收油方法焦油1储槽液位达到80%左右时需要静置和排水，收油效率低油品含水量大，焦油1#储槽的人口阀门不能全开导致油分离器产生的焦油1#有一部分进人最终油分离器不利于脱出水中的焦油1#送往成品罐区的焦油1#含水量大，两个焦油1#储罐需要倒罐将分离出来的煤气水送煤气水分离工段，这样既影响油品外售周期还增加了煤气水分离工段的水处理压力。为提高副产品产量做了改进，由于焦油1#在储槽中静置分层，根据密度差焦油1#在上层水在下层，所以在储槽锥底直排第一道与第二道球阀之间引出DN100的“几”字弯将下层的水靠罐内液体的重力压入“几”字弯从而脱除焦油1#中的水分，“几”字弯顶端距离溢流口270mm,为了防止发生虹吸现象，在“几”字弯的上顶端增加一根与BO7顶部相连接的管线进行均压阻止虹吸现象发生。

结论

总之，煤气水预分离好坏直接影响碎煤加压气化装置和后续处理装置的平稳运行，因此控制好闪蒸和沉降分离的操作是确保煤气水预分离效率的重要手段。

参考文献

[1]张萍.煤气水分离新工艺.2017.

[2]段海燕.碎煤加压气化工艺煤气水预分离探讨.2022.